JP6493420B2

JP6493420B2 - Ｘ線発生装置

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Publication number: JP6493420B2
Application number: JP2016573013A
Authority: JP
Inventors: 明寛宮岡
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2019-04-03
Anticipated expiration: 2035-02-05
Also published as: US20180005721A1; US10453579B2; JPWO2016125289A1; CN107210079A; CN107210079B; WO2016125289A1

Description

本発明は産業用Ｘ線検査装置や医療用Ｘ線検査装置、あるいはＸ線の回折や屈折を利用した各種Ｘ線分析装置や測定装置などに用いられるＸ線発生装置に関し、より詳しくは、真空容器内でターゲットに電子を衝突させて発生したＸ線を、電子の進行方向に沿った方向を中心として真空容器外に取り出す透過型のＸ線発生装置に関する。

真空容器内でターゲットに電子ビームを照射することによってＸ線を発生するタイプのＸ線発生装置は、電子の進行方向と異なる方向にＸ線を取り出す反射型ターゲットを用いるものと、電子の進行方向とおおよそ同じ方向にＸ線を取り出す透過型ターゲットを用いるものがある。反射型ターゲットを用いるものでは，そのＸ線焦点径（Ｘ線が発生する領域の径）はターゲットに照射する電子ビームの焦点径（電子ビームのターゲット表面への照射スポット径）と電子ビームに対するターゲットの表面角度に依存するのに対し、透過型ターゲットを用いるものにおけるＸ線焦点径はターゲットに照射する電子ビームの焦点径のみで決まる。

図８に透過型ターゲットを用いたＸ線発生装置の構成例を模式的断面図で示す。真空容器１００の一端部にＸ線照射窓１０１が固定され、このＸ線照射窓１０１にはその下面側（容器内面側）にＸ線発生用のターゲット１０２が積層されている。これらのＸ線照射窓１０１とターゲット１０２は一体化されて不可分な部材であり、ターゲット積層構造体１０３を構成している。真空容器１００内には、電子源と電極群を備えてなる電子銃１０４が収容されており、この電子銃１０４からの加速・集束した電子ビームをターゲット１０２に照射することによって発生したＸ線を、Ｘ線照射窓１０１を介して電子ビームＢの照射方向とおおよそ同方向に取り出す。なお、Ｘ線照射窓という用語は、その部材を介してＸ線発生装置からＸ線が放出されるために用いられるのであるが、ターゲットを保持するための部材としての機能から見ればターゲット基板、あるいは単に基板とも称される。本明細書においてはこれらの用語のうち、もっぱらＸ線照射窓を用いる。

図９に、図８におけるターゲット１０２への電子ビームＢの照射領域近傍の拡大図と、この構成によって外部に放出されるＸ線プロファイルを表すグラフとを併記して示す。Ｘ線プロファイルは横軸に位置を、縦軸にＸ線強度をとったグラフで表している。

この図９に示すように、ターゲット１０２に対する電子ビームＢの焦点径、つまりターゲット１０２の表面へ照射される電子ビームＢの照射スポット径が、Ｘ線発生装置におけるＸ線の焦点径となる。このＸ線焦点径を小さくすることにより、例えばＸ線透視装置により得られる透視像の空間分解能が向上してより鮮明な画像となる。

そこで従来、透過型ターゲットを用いたＸ線発生装置においては、Ｘ線焦点径を小さくするために、電子ビームを小さく絞ってターゲットに照射する方法が採用されてきた。しかし、電子ビームを絞るレンズの収差の問題で、電子源からの拡がりのある電子ビームを小さく絞ることは極めて困難である。その対策として、ビームアパーチャを設けて収差の影響を低減する方法がしばしば採用されてきたが、電子ビームをサブミクロンオーダーまで小さく形成する場合には、ターゲット内で電子が拡散することによってＸ線焦点径が大きくなってしまうという新たな問題が生じる。

そこで、一般にはＸ線照射窓の片面に薄膜状に積層されるタングステンなどのターゲットを、微細な柱状の金属ワイヤとして、軽金属製のＸ線照射窓に対して埋設した構造としたり（例えば特許文献１参照）、あるいはＸ線照射窓に微細な柱状の穴部を形成し、その穴部内にターゲット材料である金属を堆積すること（例えば特許文献２参照）によって、ターゲットに向けて照射する電子ビームの焦点径を小さく絞ることなく、Ｘ線焦点を小さくする技術が提案されている。

すなわち、図１０に模式的断面図とこのターゲット構造により外部に放出されるＸ線プロファイルのグラフを併記して示すように、Ｘ線照射窓２０１に微細な柱状のターゲット２０２を保持した構造により、Ｘ線発生領域を制限すると同時に、ターゲット２０２内での電子拡散の影響を減じ、ターゲット２０２に向けて照射する電子ビームＢの焦点径を小さく絞ることなくＸ線焦点径を小さくする技術が提案されている。

特開２００４−２８８４５号公報特開２０１１−７７０２７号公報

ところで、上記の特許文献１や２の技術によれば、Ｘ線プロファイルはその中心付近の強度が高くなり、照射している電子ビームの焦点径に対してのＸ線焦点径は改善される。しかしながら、Ｘ線が発生しにくい軽元素部材を用いたＸ線照射窓からも電子ビームの照射によってＸ線が発生し、また、電子拡散は軽元素部材の方がより広い領域に及ぶ。そのため、結局は柱状のターゲットの大きさに合わせて、ある程度の大きさに電子ビームを絞らなければ、意図する小ささのＸ線焦点径を得ることができないという問題があった。

また、図９に示した従来のターゲットと比較すると、提案技術では電子ビームを当てる場所が微細な柱状のターゲットを包含する場所である必要があり、電子ビームの照射位置に制限があるため、電子ビームの照射位置を調整する必要がある。Ｘ線焦点径を小さくするためには、ターゲットの大きさを例えばミクロンオーダーないしはサブミクロンオーダーにする必要があり、このよう微細なターゲットを用いて効率よくＸ線を発生させる電子ビーム照射範囲は極めて狭くなり、ターゲットを探すまでの照射位置調整が困難で極めて煩雑であるという問題も生じる。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、ターゲットに対する電子ビームの焦点径に拠ることなく、確実にＸ線焦点径を小さくすることのできるＸ線発生装置を提供することをその課題としている。

また、本発明は、上記に加えて、ターゲット上への電子ビームの照射位置の調整を簡単化することを他の課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のＸ線発生装置は、真空容器内に配置されたターゲットに対して電子ビームを照射することによって発生したＸ線を、上記ターゲットが一体に積層形成されたＸ線照射窓を介して電子ビームの照射方向に沿う方向に外部に取り出すＸ線発生装置において、上記ターゲットと上記Ｘ線照射窓からなるターゲット積層構造体の上記電子ビームの照射領域内に、当該電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率が局所的に低いＸ線低吸収率部位が形成されていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記ターゲット積層構造体の上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率が、上記Ｘ線低吸収率部位を中心とする少なくとも所定領域において、当該Ｘ線低吸収率部位に近づくほど連続的もしくは段階的に低くなっている構成（請求項２）を採用することが望ましい。

また、本発明においては、上記Ｘ線低吸収率部位におけるターゲット厚さを、当該ターゲット内での電子拡散距離よりも大きくすること（請求項３）が望ましい。

本発明において、上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、上記ターゲットの厚さの相違によるものとした構成（請求項４）を採用することができる。

また、本発明においては、上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、上記Ｘ線照射窓の厚さの相違によるものとした構成（請求項５）を採用することもできる。

更に、本発明においては、上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、Ｘ線吸収率を相違させるためのＸ線吸収層を当該ターゲット積層構造体に積層したことによる構成（請求項６）を採用してもよい。

本発明は、ターゲットがＸ線照射窓に積層されてなるターゲット積層構造体自体のＸ線吸収率の相違により、電子ビームの照射領域中で発生したＸ線のうち、当該照射領域内に局所的な部位からのＸ線のみを外部に取り出すことで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、ターゲットに対する電子ビームの照射領域内に、ターゲット積層構造体のＸ線吸収率が局所的に低いＸ線低吸収率部位を設け、他との差を大きくすることにより、Ｘ線吸収窓を介して外部に取り出されるＸ線は、Ｘ線低吸収率部位からのものが支配的となり、結果としてＸ線低吸収率部位が実質的なＸ線焦点となる。よって、電子ビームの焦点径に係わらず、確実にＸ線焦点径を小さくすることができる。

また、以上の本発明の構成によれば、Ｘ線低吸収率部位が電子ビームの照射領域内に位置していることが必要であり、そのためにＸ線低吸収率部位と電子ビームの照射領域とを位置調整する必要があるが、特許文献１や２のような微細な柱状のターゲットを用いる場合のように、ターゲットに照射されている部分以外の電子ビームがＸ線照射窓に直接的に作用してＸ線を発生させないように当該電子ビームを絞る必要がない分だけ、電子ビームの焦点径を大きくできるため、位置調整はより簡単となる。

そして、この位置調整は、請求項２に係る発明の構成を採用することにより、より容易化される。すなわち、請求項２に係る発明では、Ｘ線低吸収率部位を中心として、その周辺の所定領域において当該部位に近づくほど、ターゲット積層構造体のＸ線吸収率を低くする構成を採用しており、これにより、Ｘ線低吸収率部位と電子ビームの照射領域との位置調整に際して、発生するＸ線強度をモニタして、より強いＸ線が発生する向きに相対位置を変化させればよい。

また、本発明におけるターゲット積層構造体のＸ線低吸収率部位におけるターゲット厚さを、当該ターゲット内での電子拡散距離よりも厚くする請求項３に係る発明の構成により、他部位はもとより、このＸ線低吸収率部位においてさえ、照射された電子がＸ線照射窓に至ることがなく、Ｘ線照射窓での電子拡散、およびＸ線発生が起こらず、より確実にＸ線焦点径を小さくすることが可能となる。

本発明によれば、ターゲットとＸ線照射窓とが一体に積層されたターゲット積層構造体の電子ビームの照射領域内に、Ｘ線吸収率が局所的に低いＸ線低吸収率部位を設け、電子ビームの照射により発生したＸ線のうち、実質的にＸ線低吸収率部位からのもののみを外部に取り出すようにしているので、ターゲットに照射する電子ビームを絞ることなく、確実にＸ線低吸収率部位の大きさに依存したＸ線焦点径が得られる。

また、ターゲット積層構造体のＸ線吸収率を、Ｘ線低吸収率部位の周辺において当該部位に近づくほど連続的もしくは段階的に低くする構成の採用により、Ｘ線低吸収率部位と電子ビーム照射領域との位置合わせを容易化することができる。

本発明の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図と、この構成により外部に放出されるＸ線プロファイルを表すグラフとを併記して示す図。本発明の他の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。本発明の更に他の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。本発明の更にまた他の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。電子ビームの照射位置合わせを容易化した機能を持つ本発明の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。電子ビームの照射位置合わせを容易化した機能を持つ本発明の他の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。電子ビームの照射位置合わせを容易化した機能を持つ本発明の更に他の実施の形態のターゲット積層構造体の電子ビーム照射領域近傍の模式的断面図。透過型ターゲットを用いたＸ線発生装置の構成例を示す模式的断面図。図８におけるターゲットへの電子ビームの照射領域近傍の拡大図と、この構成によって外部に放出されるＸ線プロファイルを表すグラフとを併記して示す図。Ｘ線照射窓に微細な柱状のターゲットを保持した構造の従来のＸ線発生装置におけるターゲットへの電子ビームの照射領域近傍の模式的断面図と、この構成によって外部に放出されるＸ線プロファイルを表すグラフとを併記して示す図。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の要部の模式的断面図と、この構成によって外部に放出されるＸ線のプロファイルを表すグラフとを併記して示す図である。この実施の形態は、Ｘ線発生装置としての基本構成は図８に示したものと同等であり、ターゲット積層構造体が図９に示したものから図１に示すものに変更されている点が最大の特徴である。

真空容器の一端部を閉鎖するように固定されたターゲット積層構造体３は、図９のものと同様に、Ｘ線照射窓１とその容器内面側に積層されたターゲット２によって構成され、このターゲット２に対して真空容器内の電子銃から加速および集束した電子ビームＢが照射され、Ｘ線が発生する。ターゲット２の材料としては、Ｗ，Ｍｏ，Ｃｕなど、Ｘ線照射窓１としてはＡｌ，Ｂｅ，あるいはダイヤモンドなどが一般に用いられる。なお、図１から図１０において、電子ビームＢの中に記載された矢印は電子ビームの照射方向を示している。

ターゲット積層構造体３には、ターゲット２への電子ビームＢの照射領域内に、電子ビームＢの照射方向（Ｘ線取り出し方向）へのＸ線吸収率が局所的に低いＸ線低吸収率部位３ａが形成されている。この例におけるＸ線低吸収率部位３ａは、ターゲット２の厚さを薄くすることによって形成されている。

Ｘ線照射窓１を構成する元素は、ターゲット２を構成する元素に比して軽元素であり、Ｘ線低吸収率部位３ａ内の図中矢印ａを通るＸ線に比して、他の部位の矢印ｂを通るＸ線はより多くの吸収を受けて減衰する。その結果、Ｘ線照射窓１を介して外部に放出されるＸ線のプロファイルは、図１に示すように相対的にＸ線低吸収率部位３ａの形成位置に対応する中心付近の強度が増す。このため、Ｘ線焦点径は図９に示した一様な厚さのターゲットを用いる場合に比してより小さくなる。

この構成によれば、Ｘ線低吸収部位３ａに入射した電子が拡散してその部位以外のターゲット２にまで至って発生したＸ線についても減衰するため、特に１μｍ以下のＸ線焦点径を得るのに適している。また、Ｘ線低吸収率部位３ａに入射した電子ビームＢにより、そこから斜めに放出されるＸ線についても、当該Ｘ線低吸収率部位３ａ以外の部位を通るＸ線については同様に減衰するので、Ｘ線照射角を小さくする場合にも適している。

以上の実施の形態においては、Ｘ線低吸収率部位３ａをターゲッ２の厚さを局所的に薄くすることによって、より具体的にはターゲット２のＸ線照射窓１に接する側の面に凹所を設けることによって形成したが、以下の図２〜図４に示す構造によってもＸ線低吸収率部位を形成することができる。

図２に示すターゲット積層構造体１３では、ターゲット１２のＸ線照射窓１１と接する面と反対側の面、従ってターゲット１２の電子ビームＢの照射側の面に凹所を設けることによってＸ線低吸収率部位１３ａを形成している。

この図２に例示する構造によれば、Ｘ線低吸収率部位１３ａに入射した電子ビームＢの他部位への電子拡散による影響は軽減できないが、Ｘ線照射角を大きくする場合に適している。

図３に示すターゲット積層構造体２３では、Ｘ線照射窓２１とターゲット２２の間にＸ線吸収材２４を積層し、そのＸ線吸収材２４に孔を設けることによって相対的にＸ線吸収率の低いＸ線低吸収率部位２３ａを形成している。Ｘ線吸収材２４の材質は、ターゲット２２よりもＸ線吸収率が高い金属が好ましく、例えばターゲット２２にＷを用いる場合にはＰｂ、ターゲット２２にＣｕを用いる場合にはＷを用いることができる。この図３に例示する構造によれば、図１に示した例と同等の効果を得ることができる。

図４に示すターゲット積層構造体３３では、ターゲット３２は一様な厚さとするとともに、Ｘ線照射窓３１に、当該Ｘ線照射窓３１の材質よりも更にＸ線吸収率の低い材質からなるＸ線透過部材３５を部分的に埋め込むことにより、ターゲット積層構造体３３中のＸ線低吸収率部位３３ａを形成している。Ｘ線透過部材３５の材質としては、例えばＸ線照射窓３１にＡｌやダイヤモンドを用いる場合にはＢｅを用いることができる。この構成によっても図１に示した例と同等の効果を得ることができる。

なお、Ｘ線透過部材３５を用いず、Ｘ線照射窓３１に凹所を設ける構成、つまりＸ線透過部材３５として空気を用いる構成を採用してもよい。

以上の各実施の形態において、Ｘ線低吸収率部位はターゲットに対する電子ビームＢの照射領域の内側に位置している必要があることは勿論であるが、本発明においては、電子ビームを絞ることなくＸ線焦点径を小さくすることが可能であり、従って電子ビームの照射領域を広く設定することによって、特にこれら両者の位置を調整する必要もなくなる。

しかし、Ｘ線強度を増大させる場合には、電子ビーム密度を増大させる必要がある。電子ビームの照射領域を広くしたまま電子ビーム密度を増大させることは、必要な電力が大きくなること、ターゲットの発熱量が増加することなどの別の問題が生じる。よって、電子ビームはある程度絞ってその照射領域を狭くすることが有用となる。その場合、電子ビームの照射位置をＸ線低吸収率部位に合わせる調整が必要となる。このような電子ビームとＸ線低吸収率部位との位置調整を容易化するための構成を以下に述べる。

図５に示すターゲット積層構造体４３においては、図１の例と同様にターゲット４２のＸ線照射窓４１側の面に凹所を形成することによってＸ線低吸収率部位４３ａを形成するとともに、そのターゲット４２の同じ側の面のＸ線低吸収率部位４３ａの周辺を斜面４６で構成することにより、Ｘ線低吸収率部位４３ａに近づくほどＸ線吸収率が次第に低くなるように構成している。これにより、電子ビームＢの照射位置を調整する際に、Ｘ線強度が強くなる向きに電子ビームＢの照射位置を変化させていくだけでよく、調整作業が容易化される。

図６に示すターゲット積層構造体５３においては、上記と同様にして形成したＸ線低吸収率部位５３ａの周囲のターゲット５２のＸ線照射窓５１側の面に、Ｘ線低吸収率部位５３ａに近づくほどターゲット厚さが段階的に薄くなるような階段状面５７を形成している。この構成によっても、上記と同様の効果を奏することができる。

以上のようにＸ線低吸収率部位に近づくほどＸ線吸収率が低くなる構成は、図２〜図４に示した構造のターゲット積層構造体にも適用することができ、図２の構造においてはターゲット１２の電子ビームＢの照射側の面に図５と同等の斜面もしくは階段状面を形成すればよく、また、図４の構造では、Ｘ線照射窓３１の厚さが外側ほど厚くなる向きに上面を斜面ないしは階段状面とすればよい。更に、図３の構造では、図７に示すように、Ｘ線照射窓６１とターゲット６２の間にＸ線吸収材６４を積層したターゲット積層構造体６３において、Ｘ線吸収材６４の厚さを、Ｘ線低吸収率部位６３ａに近づくほど薄くすればよい。

ここで、以上の各実施の形態において、Ｘ線低吸収率部位の輪郭の電子ビームＢの照射方向から見た形状は特に限定されるものではなく、円形、四角形、多角形など任意とすることができ、また、斜面や階段状面についても、円錐や円形階段状、角錐や角形階段状など、任意とすることができる。

また、以上の各実施の形態においては、Ｘ線低吸収率部位におけるターゲットの厚さを電子拡散距離よりも大きくすることが望ましい。そうすることにより、Ｘ線低吸収率部位に入射した電子がターゲットを越えてＸ線照射窓にまで至ることがなく、従ってＸ線照射窓内において電子が広く拡散して、微弱ではあるものの意図しない比較的広い領域からＸ線が発生してしまう不具合を防止して、本発明の効果をより確実なものとすることができる。ターゲット中における電子拡散距離は、その材質や電子ビームの加速エネルギによって異なるため、装置仕様に合わせて適宜の形態や寸法を採用すればよい。

本発明は、透過型のＸ線発生装置のターゲットとＸ線照射窓とからなるターゲット積層構造体自体でＸ線焦点を改善するものあり、Ｘ線照射窓の外側に不要な方向へのＸ線を遮蔽するコリメータを配置する技術とは異なり、本発明では真空容器の外側に何らの構造物を必要としないが故に構造がシンプルでコンパクトでありながら、所期の作用効果を達成することができる。

１，１１，２１，３１，４１，５１，６１Ｘ線照射窓
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２ターゲット
３，１３，２３，３３，４３，５３，６３ターゲット積層構造体
３ａ，１３ａ，２３ａ，３３ａ，４３ａ，５３ａ，６３ａＸ線低吸収率部位
２４，６４Ｘ線吸収材
３５Ｘ線透過部材
４６斜面
５７階段状面
１００真空容器
１０１Ｘ線照射窓
１０２ターゲット
１０３ターゲット積層構造体
１０４電子銃
Ｂ電子ビーム

Claims

真空容器内に配置されたターゲットに対して電子ビームを照射することによって発生したＸ線を、上記ターゲットが一体に積層形成されたＸ線照射窓を介して電子ビームの照射方向に沿う方向に外部に取り出すＸ線発生装置において、
上記ターゲットと上記Ｘ線照射窓からなるターゲット積層構造体の上記電子ビームの照射領域内に、当該電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率が局所的に低いＸ線低吸収率部位が形成されていることを特徴とするＸ線発生装置。
上記ターゲット積層構造体の上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率が、上記Ｘ線低吸収率部位を中心とする少なくとも所定領域において、当該Ｘ線低吸収率部位に近づくほど連続的もしくは段階的に低くなっていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線発生装置。
上記Ｘ線低吸収率部位におけるターゲット厚さが、当該ターゲット内での電子拡散距離よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線発生装置。
上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、上記ターゲットの厚さの相違によるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、上記Ｘ線照射窓の厚さの相違によるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。
上記ターゲット積層構造体における上記電子ビームの照射方向へのＸ線吸収率の位置による相違が、Ｘ線吸収率を相違させるためのＸ線吸収層を当該ターゲット積層構造体に積層したことによるものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＸ線発生装置。